§ 4.21 Сверхпроводимость
Эренфест и его товарищ Вальтер Ритц совершили совместную поездку в Лейден. Надо сказать, что Лейден того времени славился не только Лоренцем, но и Камерлинг-Оннесом, директором криогенной лаборатории, в которой велись захватывающе интересные исследования низкотемпературных свойств твёрдых тел. И вот вместе с Ритцем Эренфест придумал остроумный метод выбора тем для диссертационных работ: они брали учебник физики и обращались к предметному указателю. Один зачитывал собранные там термины, а другой добавлял сакраментальное: "при низких температурах".
Во многом напоминает явление сверхтекучести и магнетизма феномен сверхпроводимости [71], открытый, подобно жидкому гелию, Камерлинг-Оннесом. Как многие отмечали, квантовая теория сверхпроводимости в корне ошибочна, с чем и связано крайне ограниченное применение сверхпроводников, которые, по идее, должны бы уже давно произвести революцию в технике. Поэтому, большие надежды в последнее время возлагают на классическую теорию сверхпроводимости. Любой газ, в том числе электронный, постепенно теряет вязкость с падением температуры (Рис. 177). То есть, согласно классической теории, при абсолютном нуле сопротивление должно стать нулевым, тогда металл и перейдёт в сверхпроводящее состояние. Но реально сверхпроводящее состояние наступает, даже, — немного не доходя до абсолютного нуля. Электроны, образующие электронный газ, подобно атомам обычных газов, обладают разными скоростями, подчиняющимися максвелловскому распределению (Рис. 188). Поэтому, в металле всегда есть электроны с почти нулевой скоростью. При комнатной температуре их ничтожно мало. Однако, возле абсолютного нуля процент таких электронов уже заметен, и они способны создавать токи достаточной величины.
Конечно, быстрых электронов больше, но, образуя электронный газ высокой вязкости, они фильтруются "микропорами" металла (§ 4.17), создавая лишь слабые токи, в сравнении с токами медленных электронов, так что вносимое ими сопротивление — ничтожно. Сепарация газа медленных электронов, рождающих ток сверхпроводимости, идёт тем эффективней, чем тоньше "поры" металла, через которые сочится электронный газ (так же отделяются в порах фильтра быстрые и медленные молекулы сверхтекучего гелия § 4.20). Поэтому в сверхпроводящее состояние легко переходят сплавы и металлы типа олова, ртути, свинца, тантала, ниобия, обычно обладающие высоким сопротивлением (так и сверхтекучесть проявляется лишь в тонкопористых фильтрах, оказывающих повышенное сопротивление току нормальных жидкостей), тогда как у металлов низкого удельного сопротивления (серебро, медь, золото) переход в сверхпроводящее состояние затруднён. Наличие токов медленных и быстрых электронов — аналогично протеканию тока через два параллельных резистора, первый с малым сопротивлением R1, второй — с большим R2: почти весь ток, выбирая путь наименьшего сопротивления, пойдёт по резистору R1, а сопротивление второго почти не повлияет на величину тока, если R2>>R1 (Рис. 178). Впрочем, именно быстрые электроны могут порождать ничтожно малое, но ощутимое сопротивление сверхпроводника. Не исключено, что их ток и задаёт величину критических токов и магнитных полей, разрушающих сверхпроводимость. С ними же, видимо, связана и низкая (в сравнении с нормальным состоянием) остаточная теплопроводность сверхпроводника [90], поскольку основной ток медленных, низкоэнергичных электронов почти не переносит тепла.
Рис. 188. Распределение частиц электронного газа по скоростям.
Настоящей загвоздкой для квантовой теории стало открытие сверхпроводников, которые в нормальном состоянии, при высоких температурах, являются диэлектриками. Зато, по классической теории, при низких температурах диэлектрик вполне может стать сверхпроводником. Диэлектрик лишь потому не проводит ток, что в нём почти нет свободных электронов: все электроны связаны с атомами. Считалось, что, по классической теории, диэлектрики вообще не проводят ток [32, с. 22]. На деле же, и в классике, из-за разброса скоростей (Рис. 188) в диэлектрике всегда есть электроны со скоростью, достаточной для отрыва от атомов. С ростом температуры и скорости электронов, всё большая их часть отделяется от атомов и переносит заряд, с чем и связан рост проводимости диэлектриков при нагреве. Но у диэлектриков с высокой степенью теплового расширения возможен заметный рост проводимости и при охлаждении. Ведь охлаждаемый диэлектрик, уменьшаясь в объёме, сближает атомы, их поля всё больше перекрываются, высвобождая много электронов (§ 4.17). Для этих диэлектриков сжатие охлаждением — аналогично сжатию давлением, превращающим их в проводники (за счёт обобществления части электронов и высвобождения оставшихся), как, например, в случае серы. Так что у диэлектриков при низких температурах вполне могут открыться металлические и сверхпроводящие свойства, поскольку, как нашли выше, сверхпроводниками легче становятся вещества, обладающие обычно повышенным сопротивлением. И диэлектрик, в обычном состоянии представляющий для тока такое же серьёзное препятствие, как микропористый фильтр — для газа, благодаря "узким порам" может стать сверхпроводником даже при меньшей степени охлаждения, чем металл. От разной ширины межатомных "пор" разнятся и температуры перехода в сверхпроводящее состояние у разных кристаллических модификаций одного металла, имеющих разные плотности (§ 4.17).